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Articoli - Archivio

03/11/2014
PNEUMATICI E NANOTECNOLOGIE, UN'INTESA PROMETTENTE

Piccoli materiali per grandi miglioramenti

 

I nanomateriali, già presenti nelle coperture, promettono miglioramenti oggi impensabili in tutte le caratteristiche dei pneumatici

Nicodemo Angì

Che si tratti di lanciare una Granturismo a velocità vertiginose, di muovere un’efficientissima elettrica o di portare un fuoristrada in posti impegnativi anche per uno stambecco, le nostre gomme sono pronte a qualunque compito che vorremo affidare loro.

La vulcanizzazione ha ormai 175 anni di età e l’industria ha avuto tempo per sviluppare le sofisticate tecniche produttive che hanno portato alle efficientissime gomme moderne.

Eppure i giochi sono tutt’altro che fatti perché le nanotecnologie promettono di ampliare tantissimo gli orizzonti dell’industria, compresa quella della gomma.

Molte notizie si trovano in un interessante rapporto prodotto dall’OECD (OCSE in italiano) che studia come le nanotecnologie potranno influenzare nei prossimi anni l’industria dei pneumatici.

Le nanotecnologie possono essere definite come le tecnologie che possono manipolare e costruire strutture di dimensioni minori di 100 nm (1 nm = 1 miliardesimo di metro).

 

Dal piccolissimo grandi prospettive 

Lo studio esamina le coperture per veicoli commerciali (leggeri e pesanti) e le automobili, settori che valgono circa il 90% del mercato totale dei pneumatici; l’attenzione è focalizzata sul nerofumo (o nero di Carbonio), silice altamente dispersibile (HD Silica) e due nanomateriali emergenti: la nano argilla e la silice HD ad alta superficie (HD-HS).

Questi quattro nanomateriali sono quelli più promettenti perché ci sono molti dati che li riguardano, sono stati studiati da molti costruttori, saranno impiegati significativamente nelle prossime decadi e hanno il più grande miglioramento nelle performance.

È appena il caso di ricordare che i pneumatici devono soddisfare in maniera bilanciata tre requisiti principali (insieme ad altri meno importanti): bassa resistenza al rotolamento, alta resistenza all’abrasione e un apprezzabile grip anche su fondi umidi.

Ogni copertura è necessariamente un compromesso fra queste proprietà: un’alta resistenza all’abrasione, per esempio, mal si concilia con un buon grip su fondi difficili; le nanotecnologie possono invece migliorarle tutte contemporaneamente.

In effetti già alcuni materiali nanotecnologici sono usati: ad esempio il nerofumo e la silice.

La dimensione delle particelle, la struttura e l’area superficiale delle particelle di nerofumo giocano un ruolo significativo: in generale più le particelle sono piccole e più le performance sono migliori dato che esse avranno una superficie più elevata in rapporto al volume.

L’aumento del nerofumo però aumenta la resistenza al rotolamento e il peso, pur migliorando la trazione e la resistenza all’abrasione.

È da notare che il nerofumo è disponibile in particelle grandi da 5 a 100 nm ma che tendono ad aggregarsi in strutture più grandi.

L’impiego della silice nei pneumatici ha reso possibile raggiungere un miglioramento nella resistenza al rotolamento rispetto al solo nerofumo senza compromettere la resistenza all’usura e la tenuta di strada.

Per capire come è stato possibile questo miglioramento occorre fare una piccola digressione e parlare dell’isteresi, una proprietà che riguarda molti materiali sottoposti a sollecitazioni periodiche.

 

L’andata e il ritorno non sono uguali

La gomma è un materiale viscoelastico nel senso che associa all’elasticità (ossia la capacità di immagazzinare energia quando viene compressa per poi restituirla se lasciata libera di espandersi) anche un non trascurabile attrito interno dovuto alla sua costituzione parzialmente viscosa, ben diversa dalla precisa matrice cristallina dei materiali metallici.

Una molla metallica, al cui interno c’è una struttura regolare di atomi, riesce a restituire quasi totalmente l’energia immagazzinata durante una deformazione mentre un elemento in gomma, ricco di lunghi polimeri attorcigliati, dissipa al suo interno una parte non trascurabile dell’energia ricevuta.

L’isteresi dà conto di questa non-simmetria fra il ciclo di compressione-immagazzinamento dell’energia e quello di espansione-restituzione dell’energia.

La resistenza al rotolamento è collegata alla deformazione della copertura nel punto di contatto con il suolo: si tratta di deformazioni abbastanza ampie ma di bassa frequenza (una ruota gira con velocità nell’ordine delle centinaia di giri al minuto) e in questo caso l’isteresi dev’essere bassa per dissipare meno energia possibile.

L’aderenza è invece legata alle microdeformazioni del battistrada a contatto con le asperità dell’asfalto: si tratta di fenomeni ad alta frequenza e, in questo caso, è vantaggiosa un’alta isteresi perché il battistrada “copia” meglio le piccole irregolarità dell’asfalto.

La silice si adatta meglio alle due condizioni: avendo, rispetto al nerofumo, un’isteresi maggiore alle alte frequenze e minore alle basse, riesce a migliorare sia la resistenza di rotolamento sia il grip.

Bene: già oggi viene usata la silice HD (Higly Dispersible), con proprietà migliori della silice standard ma, come anticipato, arriverà la silice HD-HS (High Surface) che, per la sua ridottissima tendenza ad agglomerarsi (che si traduce in maggiori capacità di rinforzo) e la sua superiore compatibilità con la gomma naturale, permetterà anche alle coperture per i mezzi pesanti di godere dei miglioramenti in termini di grip e resistenza al rotolamento aumentando contemporaneamente la resistenza all’usura.

 

I materiali che verranno

Anche le “nanoargille” (Nanoclay) possono dire la loro, dato che aumentano l’impermeabilità del rivestimento interno (Inner Liner) migliorando molto la tenuta della pressione della copertura. Le gomme potranno così lavorare alla pressione di progetto, riducendo l’usura, la temperatura e la resistenza al rotolamento; esse sono però difficili da lavorare e la loro introduzione sarà più lenta rispetto alla silice HD-HS.

Ancora più futuribili sono poi nanomateriali come il Grafene, i nanotubi di Carbonio, il Carburo di Silicio, il NanoPro Tech (filler leggerissimi che permetteranno riduzioni di peso rispetto al nerofumo e alla silice) e perfino il Nanodiamante.

Questi materiali promettono miglioramenti notevoli (per i nanotubi e il Grafene si parla di durate comparabili a quelle del veicolo) ma i loro processi produttivi non sono ancora affidabili e – per alcuni di essi – si prospettano implicazioni negative a livello ambientale.

In ogni caso la strada è segnata: per i pneumatici ci attendiamo grandi miglioramenti che discenderanno da materiali... piccolissimi! 

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